JP7490832B2

JP7490832B2 - 荷電粒子線装置および荷電粒子線装置の制御方法

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Publication number: JP7490832B2
Application number: JP2023005805A
Authority: JP
Inventors: 健夫佐々木; 佳那子野口; 一樹八木
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2023-01-18
Publication date: 2024-05-27
Anticipated expiration: 2043-01-18
Also published as: JP2023134357A

Description

本発明は、荷電粒子線装置および荷電粒子線装置の制御方法に関する。

透過電子顕微鏡や、走査透過電子顕微鏡、走査電子顕微鏡、集束イオンビーム装置などの荷電粒子線装置では、電子線やイオンビームなどを試料に照射するための照射光学系を備えている。照射光学系は、例えば、コンデンサーレンズや、絞り、Ｃｓコレクターなどの収差補正装置を含む。

例えば、特許文献１には、球面収差と色収差を補正する収差補正装置を含む照射光学系を備えた電子顕微鏡が開示されている。

特開２０１９－１２９０７３号公報

上記のような荷電粒子線装置では、電子線の照射量を調整できる。例えば、走査透過電子顕微鏡などの電子顕微鏡では、コンデンサーレンズの励磁を変えてスポットサイズを変更することで、電子線の照射量を調整できる。また、照射光学系の絞りの大きさを変更することで、電子線の照射量を調整できる。

しかしながら、コンデンサーレンズの励磁が変更されると、軸合わせや収差補正装置の調整が必要となる。また、絞りの大きさが変更されると、絞りの調整が必要となる。また、絞りの大きさが変更されると、電子線の収束角が変化する。このように、電子線の照射量を変更すると、光学系の条件が変わってしまい、光学系の調整を行わなければならない場合がある。

本発明に係る荷電粒子線装置の一態様は、
荷電粒子線で試料を走査して走査像を取得する荷電粒子線装置であって、
前記試料に対して前記荷電粒子線をパルス照射するためのパルス機構、および前記荷電粒子線を偏向させて前記荷電粒子線で前記試料を走査する偏向器を含む光学系と、
前記光学系を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記走査像の１画素あたりの前記荷電粒子線の滞在時間をＴとし、前記荷電粒子線のパルスの周期をｔとした場合に、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただしｎは自然数）を満たすように、前記光学系を制御し、
前記制御部は、
前記試料に対する前記荷電粒子線の照射量の指定を受け付け、
指定された前記照射量に基づいて、前記周期ｔに対する１周期において前記荷電粒子線を前記試料に照射する時間ｗの比ｗ／ｔを決定し、
前記比ｗ／ｔに基づいて、前記パルス機構を動作させる。

このような荷電粒子線装置では、パルス機構を用いて試料に対して電子線をパルス照射することによって、試料に対する電子線の照射量を制御できる。また、このような荷電粒子線装置では、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすため、走査像上に、荷電粒子線のオンとオフの切り替えに起因する明暗の縞が生じることを防ぐことができる。

本発明に係る荷電粒子線装置の制御方法の一態様は、
試料に対して荷電粒子線をパルス照射するためのパルス機構、および前記荷電粒子線を偏向させて前記荷電粒子線で前記試料を走査する偏向器を含む光学系を含み、前記荷電粒子線で前記試料を走査して走査像を取得する荷電粒子線装置の制御方法であって、
前記走査像の１画素あたりの前記荷電粒子線の滞在時間をＴとし、前記荷電粒子線のパルスの周期をｔとした場合に、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただしｎは自然数）を満たすように、前記光学系を制御し、
前記試料に対する前記荷電粒子線の照射量の指定を受け付け、
指定された前記照射量に基づいて、前記周期ｔに対する１周期において前記荷電粒子線を前記試料に照射する時間ｗの比ｗ／ｔを決定し、
前記比ｗ／ｔに基づいて、前記パルス機構を動作させる。

このような荷電粒子線装置の制御方法では、パルス機構を用いて試料に対して電子線をパルス照射することによって、試料に対する電子線の照射量を制御できる。また、このような荷電粒子線装置の制御方法では、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすため、走査像上に、荷電粒子線のオンとオフの切り替えに起因する明暗の縞が生じることを防ぐことができる。

第１実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。ブランキング信号および電子線の電流量を示す図。試料に照射される電子線を模式的に示す図。ブランキング信号および電子線の電流量を示す図。試料に照射される電子線を模式的に示す図。シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像。シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像。シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像。シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像。シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像。ブランキング信号および電子線の電流量を示す図。ブランキング信号および電子線の電流量を示す図。制御部の処理の一例を示すフローチャート。制御部の処理の一例を示すフローチャート。第２実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。電子線源と光源装置を模式的に示す図。電子線源と光源装置の変形例を模式的に示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．第１実施形態
１．１．電子顕微鏡
まず、第１実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を示す図である。

電子顕微鏡１００は、電子線（荷電粒子線の一例）で試料Ｓを走査し、試料Ｓを透過した電子を検出して走査像を取得する走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）である。

走査像は、電子線やイオンビームなどの荷電粒子線を走査して得られた画像である。走査像は、明視野ＳＴＥＭ像や、暗視野ＳＴＥＭ像、エネルギー分散型Ｘ線検出器（ＥＤＳ）を用いた元素マップ、電子エネルギー損失分光器（ＥＥＬＳ）を用いた元素マップなどを含む。

電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子線源１０と、ブランキング装置２０と、照射レンズ系３０と、走査偏向器４０と、電子検出器５０と、Ｘ線検出器６０と、制御回
路７０と、制御部８０と、入力部９０と、を含む。

電子線源１０は、電子線を放出する。電子線源１０は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。

ブランキング装置２０は、電子線源１０と照射レンズ系３０との間に配置されている。ブランキング装置２０は、試料Ｓに照射される電子線のオンとオフを制御する。すなわち、ブランキング装置２０は、試料Ｓに電子線が照射される状態（オン）と試料Ｓに電子線が照射されない状態（オフ）を切り替える。

ブランキング装置２０は、静電偏向器２２と、絞り２４と、を含む。静電偏向器２２は、静電場を発生させて、電子線を偏向させる。絞り２４は、電子線を通過させる絞り孔を有している。静電偏向器２２が電子線を偏向させない状態では、電子線が絞り孔を通過する。したがって、電子線が試料Ｓに照射される。静電偏向器２２が電子線を偏向させることによって、電子線が絞り２４によって遮断される。これにより、電子線が試料Ｓに照射されない。

ブランキング装置２０は、静電偏向器２２で電子線を偏向させるため、磁場コイルで電子線を偏向させる場合と比べて、高速に電子線を偏向できる。例えば、静電偏向器２２は、ナノ秒オーダーで電子線を偏向させることができる。したがって、ブランキング装置２０では、高速で電子線のオンとオフを切り替えることができる。ブランキング装置２０でオンとオフを周期的に切り替えることによって、試料Ｓに対して電子線をパルス照射できる。

なお、図示はしないが、ブランキング装置２０は、静電偏向器２２の前段に配置されたアダプタレンズを含んでいてもよい。アダプタレンズは、静電偏向器２２の主面上にクロスオーバーを形成する。静電偏向器２２の主面上にクロスオーバーを形成することによって、静電偏向器２２によって電子線が偏向されても、試料Ｓ上における電子線の照射位置が移動しない。

照射レンズ系３０は、電子線源１０で発生した電子線を試料Ｓに照射する。照射レンズ系３０は、電子線を集束させて電子プローブを形成する。照射レンズ系３０は、例えば、コンデンサーレンズや、対物レンズの前方磁界を含む。

走査偏向器４０は、試料Ｓに照射される電子線を二次元的に偏向させる。走査偏向器４０で電子線を偏向させることによって、電子線（電子プローブ）で試料Ｓを走査できる。走査偏向器４０は、例えば、磁場を発生させて電子線を偏向させる磁場コイルである。

電子顕微鏡１００では、電子線源１０、ブランキング装置２０、照射レンズ系３０、および走査偏向器４０は、電子線で試料Ｓを走査するための照射光学系２を構成している。図示はしないが、照射光学系２は、その他のレンズや、絞りなどを備えていてもよい。

図示はしないが、電子顕微鏡１００は、試料ステージを備えている。電子顕微鏡１００の試料室において、試料Ｓは試料ステージによって位置決めされる。

また、図示はしないが、電子顕微鏡１００は、試料Ｓを透過した電子を電子検出器５０に導く結像光学系を有している。結像光学系は、対物レンズや、中間レンズ、投影レンズなどを含む。

電子検出器５０は、試料Ｓを透過した電子を検出する。電子検出器５０は、円環状の検
出領域を有する暗視野ＳＴＥＭ検出器である。電子検出器５０では、例えば、試料Ｓで高角度に非弾性散乱された電子を検出する。電子検出器５０で電子を検出することによって、高角散乱環状暗視野像（以下、ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像ともいう）を取得できる。

なお、電子検出器５０は、透過波と低角度に散乱した電子を検出する明視野ＳＴＥＭ検出器であってもよい。また、電子顕微鏡１００は、明視野ＳＴＥＭ検出器と暗視野ＳＴＥＭ検出器の両方を備えていてもよい。

Ｘ線検出器６０は、試料Ｓに電子線が照射されることによって試料Ｓで発生したＸ線を検出する。Ｘ線検出器６０は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線検出器（ＥＤＳ検出器）である。Ｘ線検出器６０でＸ線を検出することによって、Ｘ線スペクトルや元素マップを取得できる。

制御回路７０は、制御部８０からの制御信号を受け付けて、照射光学系２を制御する。

制御部８０（情報処理装置）は、照射光学系２を制御する。制御部８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置を含む。記憶装置には、制御部８０としてコンピューターを機能させるためのプログラムが記憶されている。制御部８０の機能は、プロセッサでプログラムを実行することにより実現できる。なお、制御部８０の機能の一部を、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などの専用回路により実現してもよい。

入力部９０は、ユーザーが情報を入力するためのものであり、入力された情報を制御部８０に送る。入力部９０は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどの入力機器である。

１．２．動作
１．２．１．原理
電子顕微鏡１００では、電子線源１０から放出された電子線は、照射レンズ系３０で集束されて電子プローブを形成し、走査偏向器４０で電子線を偏向させることによって電子プローブで試料Ｓを走査する。電子顕微鏡１００では、電子プローブで試料Ｓをラスタースキャンする。このとき、ブランキング装置２０で電子線のオンとオフを周期的に切り替えることによって、試料Ｓに対して電子線がパルス照射される。このように電子顕微鏡１００では、パルス電子線を用いて、試料Ｓを走査する。

試料Ｓを透過した電子は、電子検出器５０で検出される。また、電子線が照射されることによって試料Ｓから放出されたＸ線は、Ｘ線検出器６０で検出される。例えば、電子プローブの走査と同期して電子検出器５０で電子を検出することによって透過電子顕微鏡像（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像）を得ることができる。また、電子プローブの走査と同期してＸ線検出器６０でＸ線を検出することによって元素マップを得ることができる。

電子顕微鏡１００では、試料Ｓに対する電子線の照射量を、ブランキング装置２０を用いて制御することができる。なお、電子線の照射量は、電子線の電流量（プローブ電流）ともいえる。

静電偏向器２２は、高速で電子線のオンとオフを切り替えることができる。例えば、静電偏向器２２は、ナノ秒オーダーで、電子線のオンとオフを切り替えることができる。静電偏向器２２を動作させることで、電子線の照射量を制御できる。

図２は、静電偏向器２２を制御するためのブランキング信号Ｓ_Ｂおよび試料Ｓに照射さ
れる電子線の電流量（強度）Ｉ_Ｂを示す図である。図３は、図２に示すブランキング信号Ｓ_Ｂで静電偏向器２２を動作させたときに、試料Ｓに照射される電子線を模式的に示す図である。

静電偏向器２２は、ブランキング信号Ｓ_ＢがＬｏｗレベルのときに、電子線を偏向しない。この結果、電子線がオンとなり、試料Ｓに強度Ｉｓの電子線が照射される。静電偏向器２２は、ブランキング信号Ｓ_ＢがＨｉｇｈレベルのときに、電子線を偏向させる。この結果、電子線が遮断され、電子線がオフとなる。ブランキング信号Ｓ_Ｂは、ＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルが一定の周期ｔで繰り返される信号である。ブランキング信号Ｓ_Ｂで静電偏向器２２を動作させることによって、図３に示すように電子線がパルス照射される。

電子線の照射量は、周期ｔに対するブランキング装置２０で電子線を遮断しない時間ｗ（ただし、ｔ≠ｗ、ｗ≠０）の比ｗ／ｔを変更することによって、制御できる。時間ｗは、１周期において電子線を照射する時間、すなわち、１周期において電子線がオンの時間ともいえる。

図４は、静電偏向器２２を制御するためのブランキング信号Ｓ_Ｂおよび試料Ｓに照射される電子線の電流量Ｉ_Ｂを示す図である。図５は、図４に示すブランキング信号Ｓ_Ｂで静電偏向器２２を動作させたときに、試料Ｓに照射される電子線を模式的に示す図である。なお、図４に示すブランキング信号Ｓ_Ｂにおける比ｗ／ｔは、図２に示すブランキング信号Ｓ_Ｂの比ｗ／ｔよりも大きい。

図２～図５に示すように、比ｗ／ｔを変えることで、電子線の照射量を制御できる。具体的には、比ｗ／ｔを大きくするほど、電子線の照射量が多くなる。

ここで、電子線で試料Ｓを走査して走査像を取得する際の、１画素あたりの電子線の滞在時間をＴとすると、制御部８０は、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただし係数ｎは自然数）を満たすように、ブランキング装置２０を制御する。滞在時間Ｔは、電子線の走査速度によって決まる。具体的には、走査速度を速くすることで滞在時間Ｔは短くなり、走査速度を遅くすることで滞在時間Ｔは長くなる。滞在時間Ｔ、周期ｔ、および係数ｎは、独立して設定できる。

Ｔ＝ｎ×ｔの関係を満たすことで、走査像の各画素における電子線の照射量を一定にできる。したがって、電子線のオンとオフの切り替えに起因する走査像上の明暗の縞をなくすことができる。

図６および図７は、シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像である。

図６は、静電偏向器２２を、周期ｔを１ミリ秒、電子線のオンの時間ｗを０．５ミリ秒で動作させたときのＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像である。図７は、静電偏向器２２を、周期ｔを０．１ミリ秒、電子線のオンの時間ｗを５０マイクロ秒で動作させたときのＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像である。

図６および図７に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像では、比ｗ／ｔ＝１／２（５０％）である。また、図６および図７に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像の１画素あたりの滞在時間Ｔは、３８マイクロ秒である。

図６に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像および図７に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を撮影したときの周期ｔは、滞在時間Ｔよりも長い。そのため、図６に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像および図７に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像において、電子線が照射されない画素が生じ
てしまい、電子線のオンとオフの切り替えに起因する明暗の縞が生じる。

図８は、シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像である。図９は、図８の四角で囲んだ領域を拡大した図である。

図８に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を撮影したときの周期ｔは滞在時間Ｔよりも短いが、Ｔ＝ｎ×ｔを満たしていない。そのため、各画素における電子線の照射量が一定ではない。図８および図９に示すように、周期ｔは滞在時間Ｔよりも短いため電子線が照射されない画素は存在しないが、Ｔ＝ｎ×ｔを満たしていないため各画素における電子線の照射量が一定ではない。したがって、電子線のオンとオフの切り替えに起因する明暗の縞が生じる。

図１０は、シリコン［１１０］のＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像である。

図１０に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像は、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすようにブランキング装置２０を動作させて撮影されている。そのため、各画素における電子線の照射量が一定となり、図１０に示すＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像では、電子線のオンとオフの切り替えに起因する明暗の縞が生じていない。

図１１および図１２は、静電偏向器２２を制御するためのブランキング信号Ｓ_Ｂおよび試料Ｓに照射される電子線の電流量（強度）Ｉ_Ｂを示す図である。図１１に示すブランキング信号Ｓ_Ｂは、Ｔ＝ｎ×ｔを満たしており、図１２に示すブランキング信号Ｓ_ＢはＴ＝ｎ×ｔを満たしていない。

ブランキング信号Ｓ_Ｂが、Ｔ＝ｎ×ｔを満たしていない場合には、図１２に示すように、１画素あたりの電子線の照射量が一定とならない。これに対して、ブランキング信号Ｓ_Ｂが、Ｔ＝ｎ×ｔを満たしている場合には、図１１に示すように、１画素あたりの電子線の照射量が一定となる。

例えば、図１２に示す例では、１画素分の滞在時間Ｔの間に、約２．４周期分のパルスが存在する。そのため、各画素における電子線の照射量が一定とならない。例えば、図１２に示す１つ目の画素の電子線の照射量は、２．７×ｗ×Ｉｓであり、２つ目の画素の電子線の照射量は、２．３×ｗ×Ｉｓである。このように、図１２に示す例では、１画素あたりの電子線の照射量が一定とならない。

これに対して、図１１に示す例では、１画素分の滞在時間Ｔの間に、２周期分のパルスが存在する（Ｔ＝２×ｔ）。そのため、各画素における電子線の照射量が２×ｗ×Ｉｓで一定となる。

このように、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすように、ブランキング装置２０を動作させることによって、各画素における電子線の照射量が一定となり、走査像上に電子線のオンとオフの切り替えに起因する明暗の縞が生じない。

１．２．２．照射量を変更するときの動作
電子顕微鏡１００では、ユーザーが電子線の照射量を指定すると、制御部８０は、指定された照射量となるように、ブランキング装置２０を動作させる。

図１３は、制御部８０の処理の一例を示すフローチャートである。

制御部８０は、まず、電子線の照射量の指定を受け付ける（Ｓ１００）。例えば、ユー
ザーが入力部９０を介して照射量を入力すると、入力部９０が入力された照射量の情報を出力する。制御部８０は、入力部９０が出力した照射量の情報を受け付ける。電子線の照射量は、１画素あたりの電子線の照射量であってもよいし、１つの走査像（１回の走査）あたりの電子線の照射量であってもよい。

なお、ここでは、制御部８０は、照射量の指定を受け付けたが、画像の明るさの指定を受け付けてもよい。画像の明るさは、電子線の照射量に対応する。

制御部８０は、指定された照射量に基づいて、比ｗ／ｔを決定する（Ｓ１０２）。

制御部８０は、照射量を多くする場合、すなわち画像を明るくする場合には、比ｗ／ｔを大きくする。制御部８０は、照射量を少なくする場合、すなわち画像を暗くする場合には、比ｗ／ｔを小さくする。

例えば、制御部８０の記憶装置には、あらかじめ、電子線の照射量と比ｗ／ｔの関係を示すテーブルが記憶されており、制御部８０は、このテーブルを参照して、電子線の照射量が指定された照射量となる比ｗ／ｔを決定してもよい。また、制御部８０は、電子線の照射量と比ｗ／ｔの関係を示す式を用いて、電子線の照射量が指定された照射量となる比ｗ／ｔを決定してもよい。このとき、制御部８０は、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすように、比ｗ／ｔを決定する。

制御部８０は、設定された比ｗ／ｔに基づいてブランキング装置２０を動作させる（Ｓ１０４）。制御部８０は、設定された比ｗ／ｔに基づいて、ブランキング信号Ｓ_Ｂを生成し、制御回路７０に送る。これにより、静電偏向器２２は、ブランキング信号Ｓ_Ｂに基づいて動作する。この結果、電子線の照射量が指定された照射量となる。すなわち、走査像の明るさが指定された明るさになる。

以上の処理により、電子線の照射量、すなわち、画像の明るさを変更できる。

１．２．３．走査像の取得時間を変更するときの動作
電子顕微鏡１００では、ユーザーが像取得時間を指定すると、制御部８０は、指定された像取得時間となるように電子線の走査速度を変更する。像取得時間は、１枚の走査像を取得するためにかかる時間である。

図１４は、制御部８０の処理の一例を示すフローチャートである。

制御部８０は、まず、像取得時間の指定を受け付ける（Ｓ１１０）。例えば、ユーザーが入力部９０を介して像取得時間を入力すると、入力部９０が入力された像取得時間の情報を出力する。制御部８０は、入力部９０から出力された像取得時間の情報を受け付ける。

制御部８０は、指定された像取得時間に基づいて、走査速度を決定し（Ｓ１１２）、決定された走査速度に基づいて走査偏向器４０を動作させる（Ｓ１１４）。これにより、走査速度が変更され、指定された像取得時間で走査像を取得できる。

ここで、走査速度が変更されると、１画素あたりの滞在時間Ｔが変わる。そのため、制御部８０は、決定された走査速度での滞在時間Ｔを求め、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすように、ブランキング装置２０を動作させる（Ｓ１１６）。

例えば、係数ｎを変更することで、Ｔ＝ｎ×ｔを満たしてもよいし、周期ｔを変更する
ことでＴ＝ｎ×ｔを満たしてもよい。ここで、周期ｔを変更した場合、比ｗ／ｔが変わるため、照射量が変わってしまう。したがって、周期ｔを変更しても比ｗ／ｔが一定になるように電子線のオンの時間ｗを変更してもよい。これにより、周期ｔを変更したことによる照射量の変化が生じない。

以上の処理により、像取得時間を変更できる。

なお、上記では、処理Ｓ１１０においてユーザーが像取得時間を指定する場合について説明したが、ユーザーが走査速度を指定してもよい。処理Ｓ１１０において走査速度が指定された場合には、像取得時間に基づいて走査速度を決定する処理Ｓ１１２が実行されない点を除いて、上述したユーザーが像取得時間を指定する場合と同様の処理が行われる。

１．３．効果
電子顕微鏡１００は、試料Ｓに対して電子線をパルス照射するためのブランキング装置２０、および電子線を偏向させて電子線で試料Ｓを走査する走査偏向器４０を含む照射光学系２と、照射光学系２を制御する制御部８０と、を含む。また、制御部８０は、走査像の１画素あたりの電子線の滞在時間をＴとし、電子線のパルスの周期をｔとした場合に、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただしｎは自然数）を満たすように、照射光学系２を制御する。

電子顕微鏡１００では、ブランキング装置２０を用いて試料Ｓに対して電子線をパルス照射することによって、試料Ｓに対する電子線の照射量を制御できる。

例えば、従来の電子顕微鏡では、コンデンサーレンズの励磁を変えたり、絞りの大きさを変えたりすることで、電子線の照射量を調整していた。しかしながら、コンデンサーレンズの励磁を変えると、軸合わせや収差補正装置の調整が必要となる。また、絞りの大きさを変更すると、絞りの調整が必要となる。また、絞りの大きさを変更すると、電子線の収束角が変わってしまう。

これに対して、電子顕微鏡１００では、ブランキング装置２０によって電子線の照射量を制御できるため、このような問題が生じない。すなわち、電子顕微鏡１００では、コンデンサーレンズの励磁や、照射光学系２の絞りの大きさなどを変えることなく、電子線の照射量を変更できる。

ここで、ブランキング装置２０において、例えば磁場コイルで電子線を偏向させる場合、磁気ヒステリシスの影響があるため、照射量を正確に制御することが難しい。電子顕微鏡１００では、静電偏向器２２で電子線を偏向させるため、照射量を正確に制御できる。また、上述したように、静電偏向器２２で電子線を偏向させることによって、磁場コイルで電子線を偏向させる場合と比べて、高速に電子線を偏向できる。

このように、電子顕微鏡１００では、電子線の照射量を、高速かつ正確に制御できる。

電子顕微鏡１００では、走査像の１画素あたりの電子線の滞在時間をＴとし、電子線のパルスの周期をｔとした場合に、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただしｎは自然数）を満たすように、照射光学系２を制御する。そのため、電子顕微鏡１００では、電子線のオンとオフの切り替えによって生じる走査像上の明暗の縞をなくすことができる。

また、電子顕微鏡１００において、ｎを２以上の整数とした場合、１画素に対して電子線が複数回照射されるため、例えば、１画素に対して電子線が１回照射される場合と比べて、電子線の照射による試料Ｓの損傷を低減できる。

電子顕微鏡１００では、制御部８０は、試料Ｓに対する電子線の照射量の指定を受け付け、指定された照射量に基づいて周期ｔに対するパルスを照射する時間ｗの比ｗ／ｔを決定し、比ｗ／ｔに基づいてブランキング装置２０を動作させる。そのため、電子顕微鏡１００では、コンデンサーレンズの励磁や、照射光学系の絞りの大きさなどを変えることなく、電子線の照射量を指定された照射量に変更できる。

２．第２実施形態
２．１．電子顕微鏡
次に、第２実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図１５は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００の構成を示す図である。以下、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した図１に示す電子顕微鏡１００では、ブランキング装置２０が試料Ｓに対して電子線をパルス照射するためのパルス機構として機能した。

これに対して、電子顕微鏡２００は、図１５に示すように、電子線源１０に光をパルス照射する光源装置２１０を含み、光源装置２１０が試料Ｓに対して電子線をパルス照射するためのパルス機構として機能する。具体的には、光源装置２１０が電子線源１０に対して光をパルス照射することによって、電子線源１０から電子線がパルスとして放出される。

図１６は、電子線源１０と光源装置２１０を模式的に示す図である。

電子線源１０は、図１６に示すように、エミッタ１０２と、第１アノード電極１０４と、第２アノード電極１０６と、加速電極１０８と、を含む。

エミッタ１０２は、電子の放出源、すなわち陰極である。エミッタ１０２は、光電子放出（photoemission）によって電子を放出する。光電子放出は、物質に光をあてたときに励起された物質内の電子が外部に放出される現象をいう。

第１アノード電極１０４は、エミッタ１０２から電子を引き出すための引出電極である。第１アノード電極１０４がつくる強電界によってエミッタ１０２から電子が引き出される。

第２アノード電極１０６は、エミッタ１０２から引き出された電子に作用する静電レンズを形成する。具体的には、第１アノード電極１０４と第２アノード電極１０６とは所定の電位差を有しているため、第１アノード電極１０４と第２アノード電極１０６によって、１つの静電レンズが形成される。第１アノード電極１０４と第２アノード電極１０６が形成する静電レンズによって、電子線が集束される。

加速電極１０８は、エミッタ１０２から引き出された電子を加速させるための電極である。エミッタ１０２から引き出された電子は、加速電極１０８によって加速されて電子線源１０から放出される。

エミッタ１０２、第１アノード電極１０４、第２アノード電極１０６、および加速電極１０８は、チャンバー１０１内に配置されている。チャンバー１０１には、外部からパルスレーザー光を導入するための窓１０９が設けられている。

光源装置２１０は、電子線源１０（エミッタ１０２）に対して励起光としてのレーザー
光をパルス照射する。光源装置２１０は、例えば、タイミング信号発生装置２１２と、パルスレーザー発生装置２１４と、レーザー光学系２１６と、を含む。

タイミング信号発生装置２１２は、タイミング信号を発生させる。パルスレーザー発生装置２１４は、レーザー光がパルスとして発振されるレーザーである。レーザー光学系２１６は、レーザー光を集束する。

光源装置２１０では、タイミング信号発生装置２１２で生成されたタイミング信号をトリガーとしてパルスレーザー発生装置２１４がパルスレーザー光を発生させる。パルスレーザー発生装置２１４から射出されたパルスレーザー光は、レーザー光学系２１６を通り、チャンバー１０１の窓１０９からチャンバー１０１内に導入される。

なお、ここでは、パルスレーザー発生装置２１４を用いてパルスレーザー光を出力する場合について説明したが、レーザー光を連続発振するレーザーを用いて、外部の処理によって連続発振のレーザー光をパルス化して出力してもよい。

電子顕微鏡２００は、図１６に示すように、ミラー２２０を含む。ミラー２２０は、窓１０９から導入されたパルスレーザー光を反射する。この結果、パルスレーザー光がエミッタ１０２に照射される。このように、試料Ｓに対して電子線をパルス照射するためのパルス機構は、ミラー２２０を含んでいてもよい。

図１６に示す例では、ミラー２２０は、第１アノード電極１０４と第２アノード電極１０６との間に配置されている。なお、ミラー２２０の位置は特に限定されず、窓１０９から導入されたパルスレーザー光をエミッタ１０２に導くことができればミラー２２０の位置は特に限定されない。また、ミラー２２０を設けずに、窓１０９から導入されたパルスレーザー光を直接エミッタ１０２に照射してもよいし、複数のミラーやその他の光学素子を用いて窓１０９から導入されたパルスレーザー光をエミッタ１０２に導いてもよい。

エミッタ１０２にパルスレーザー光を照射すると、エミッタ１０２では光電子放出によってパルス状の電子線が得られる。このようにして得られた電子線のパルスの周期ｔは、電子顕微鏡１００と同様に、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすように制御される。

電子顕微鏡２００の電子線源１０以降の光学系は、電子顕微鏡１００と同様である。

２．２．動作
電子顕微鏡２００の動作は、電子線源１０にレーザー光がパルス照射されることによって、電子線源１０から電子線がパルスとして放出される点を除いて、上述した電子顕微鏡１００の動作と同様でありその説明を省略する。

２．３．効果
電子顕微鏡２００では、電子線をパルス照射するためのパルス機構として、電子線源１０に対して光をパルス照射する光源装置２１０を含み、電子線源１０（エミッタ１０２）に光がパルス照射されることによって、電子線源１０から電子線がパルスとして放出される。そのため、電子顕微鏡２００では、試料Ｓに対して電子線をパルス照射できるため、電子顕微鏡１００と同様の作用効果を奏することができる。

２．４．変形例
図１７は、電子線源１０と光源装置２１０の変形例を模式的に示す図である。上述した図１６に示す例では、ミラー２２０は、第１アノード電極１０４と第２アノード電極１０６との間に配置されており、パルスレーザー光は第１アノード電極１０４と第２アノード
電極１０６との間を通ってエミッタ１０２に照射された。

これに対して、図１７に示す例では、ミラー２２０は、第１アノード電極１０４と同じ高さに配置されており、ミラー２２０で反射したパルスレーザー光は第１アノード電極１０４の上方を通ってエミッタ１０２に照射される。例えば、窓１０９から導入されたパルスレーザー光は、ミラー２２０で反射し、エミッタ１０２と第１アノード電極１０４との間を通ってエミッタ１０２に照射される。パルスレーザー光は、第１アノード電極１０４と第２アノード電極１０６の間を通過しない。

なお、パルスレーザー光が第１アノード電極１０４の上方を通ってエミッタ１０２に照射されれば、ミラー２２０の配置は特に限定されない。また、ミラー２２０を設けずに、窓１０９から導入されたパルスレーザー光を、第１アノード電極１０４の上方を通過させて、直接エミッタ１０２に照射してもよい。

３．変形例
上述した第１実施形態および第２実施形態では、本発明に係る荷電粒子線装置が走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の場合について説明したが、本発明に係る荷電粒子線装置は、これに限定されない。例えば、本発明に係る荷電粒子線装置は、イオンビームで試料を走査して走査像を取得する集束イオンビーム装置であってもよい。また、例えば、本発明に係る荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子プローブマイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）、オージェマイクロプローブ装置（Ａｕｇｅｒ）などであってもよい。

また、例えば、上述した第１実施形態では、試料に対して電子線をパルス照射し、試料を透過した電子を検出してＳＴＥＭ像を得る場合について説明したが、本発明に係る荷電粒子線装置はこれに限定されない。例えば、試料に対して電子線をパルス照射し、試料から放出されたＸ線を検出して元素マップを取得してもよい。この場合でも、比ｗ／ｔを変更することによって電子線の照射量を変更でき、Ｔ＝ｎ×ｔを満たすことで各画素の電子線の照射量を一定にできる。

このように、本発明は、荷電粒子線源が電子線やイオンビームなどの荷電粒子線を放出し、パルス機構によって試料に対して荷電粒子線をパルス照射し、検出器によって試料で発生する信号を検出して走査像を得る様々な装置に適用可能である。試料で発生する信号としては、二次電子、反射電子、後方散乱電子、連続Ｘ線、オージェ電子、カソードルミネッセンス発光、可視光発光、非弾性散乱電子、弾性散乱電子、透過電子、制動Ｘ線などが挙げられる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…照射光学系、１０…電子線源、２０…ブランキング装置、２２…静電偏向器、２４…絞り、３０…照射レンズ系、４０…走査偏向器、５０…電子検出器、６０…Ｘ線検出器、７０…制御回路、８０…制御部、９０…入力部、１００…電子顕微鏡、１０１…チャンバー、１０２…エミッタ、１０４…第１アノード電極、１０６…第２アノード電極、１０８…加速電極、１０９…窓、２００…電子顕微鏡、２１０…光源装置、２１２…タイミング
信号発生装置、２１４…パルスレーザー発生装置、２１６…レーザー光学系、２２０…ミラー

Claims

荷電粒子線で試料を走査して走査像を取得する荷電粒子線装置であって、
前記試料に対して前記荷電粒子線をパルス照射するためのパルス機構、および前記荷電粒子線を偏向させて前記荷電粒子線で前記試料を走査する偏向器を含む光学系と、
前記光学系を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記走査像の１画素あたりの前記荷電粒子線の滞在時間をＴとし、前記荷電粒子線のパルスの周期をｔとした場合に、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただしｎは自然数）を満たすように、前記光学系を制御し、
前記制御部は、
前記試料に対する前記荷電粒子線の照射量の指定を受け付け、
指定された前記照射量に基づいて、前記周期ｔに対する１周期において前記荷電粒子線を前記試料に照射する時間ｗの比ｗ／ｔを決定し、
前記比ｗ／ｔに基づいて、前記パルス機構を動作させる、荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記パルス機構は、前記荷電粒子線を偏向して遮断するブランキング装置を含む、荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記光学系は、前記荷電粒子線を放出する荷電粒子線源を含み、
前記パルス機構は、前記荷電粒子線源に対して光をパルス照射する光源装置を含み、
前記荷電粒子線源に光がパルス照射されることによって、前記荷電粒子線源から前記荷電粒子線がパルスとして放出される、荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記試料に前記荷電粒子線が照射されることによって前記試料で発生する信号を検出する検出器を含む、荷電粒子線装置。
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記制御部は、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただしｎは２以上の整数）を満たすように、前記光学系を制御する、荷電粒子線装置。
試料に対して荷電粒子線をパルス照射するためのパルス機構、および前記荷電粒子線を偏向させて前記荷電粒子線で前記試料を走査する偏向器を含む光学系を含み、前記荷電粒子線で前記試料を走査して走査像を取得する荷電粒子線装置の制御方法であって、
前記走査像の１画素あたりの前記荷電粒子線の滞在時間をＴとし、前記荷電粒子線のパルスの周期をｔとした場合に、Ｔ＝ｎ×ｔ（ただしｎは自然数）を満たすように、前記光学系を制御し、
前記試料に対する前記荷電粒子線の照射量の指定を受け付け、
指定された前記照射量に基づいて、前記周期ｔに対する１周期において前記荷電粒子線を前記試料に照射する時間ｗの比ｗ／ｔを決定し、
前記比ｗ／ｔに基づいて、前記パルス機構を動作させる、荷電粒子線装置の制御方法。